【新书预告1】矿井建设技术

发布时间:2018-03-23

编者按：本书是煤炭科学研究总院成立60周年科技丛书之二，由科学出版社2018年三季度印刷出版，有矿山科研、大专院校、设计和施工企业技术人员有需要可以联系龙志阳  13701167059 804194589@qq.com  可以预定购买此论书（预计300元/本）。

         矿井建设是指井工开采煤矿或其它矿山，通过一系列的井巷工程的掘进，形成开采所需基本的运输、通风、排水等地下工程结构的过程，矿井建设是矿物开采的先行，也是其它地下工程建设的重要技术手段。虽然，我国煤炭产量有相对过剩的趋势，新建矿井数量减少，但是，煤炭作为我国主要能源的格局还会长期存在，必须对建井技术进行总结，研究新的工艺、技术及装备，为煤炭及其它矿山深部资源的开发提供技术保障。煤炭赋存范围广阔，矿井建设工程地质和水文地质条件复杂多样，如华东、华北的不稳定的深厚表土层，内蒙、新疆、陕西、甘肃等弱胶结富水孔隙含水岩石地层，这些地质条件都无法采用普通法直接开凿井筒，需要先进技术、工艺和装备作保障。20 世纪70 年代到90 年代，矿井建设速度慢，一般百万吨矿井的建设时间5 年到6 年，甚至达到8 年到10 年，制约了国家煤炭这一主要能源供给，影响建井速度的主要因素为井筒和岩巷掘进。作为矿井咽喉工程的井筒，穿过从地表到煤层在内的所有地层，其工程量一般只占井筒总工程量的3% 到8%，建设工期占到矿建总工期的30% 到50%。当时重点开发的以两淮、邯邢、开滦、兖州以及河南等煤炭基地为主，建设年产4.0Mt 左右的大型矿井，采用立井开拓方式，尝试采用注浆法、沉井法、帷幕法、降水法等多种方法穿过深厚含水的冲积层， 均存在各种问题。经过多年研究和实践，逐渐形成了以冻结法、钻井法为核心的特殊凿井方法，到本世纪初这两种方法发展成熟。同时为了深部基岩打干井的需要，从上世纪90 年代开始。以黏土浆为基础材料的地面预注浆技术得到快速发展，解决了井筒含水及不稳定基岩地层的堵水和预加固问题。以伞钻、整体金属模板、抓岩机等装备为基础，以冲积层冻结和基岩注浆为前提，形成的短段掘砌混合凿井工艺，推动普通凿井速度的提高，岩巷凿岩作业线的形成提高了掘进速度的提高，改进了巷道布置方式，以煤巷代岩巷，减小了岩巷掘进率，部分断面掘进机解决煤及半煤岩巷掘进快速施工问题。大型矿井建设速度缩短到3-4 年，快速建成了一批年产4.0Mt到10Mt 高产高效矿井，满足了国家高速发展对能源的需求，也可以说先进的建井技术支撑保证国民经济的高速发展。

20 世纪末到21 世纪初，煤炭开发重点由东部区域转移到西部，需建设一批千万吨级大型矿井，西部矿井井筒所穿过地层条件远比想象的复杂，东部表土层建井经验难以直接套用。西部地区上部风积沙松散不稳定，下部白垩系、侏罗系地层岩石成岩时间短，胶结不紧密，孔隙含水丰富，开挖后易风化、遇水软化、坍塌，普通凿井法难以维持井帮稳定。东部地区的煤炭开发向深部发展，需要穿过600m 以上冲积层建设千米深井，针对煤矿井筒建设面临的问题和困难，在“十五”、“十一五”和“十二五”期间，进行了改善施工条件和稳定地层的冻结、注浆为主的地层改性技术研究和完善；适应大直径、深井快速矿井建设技术施工的普通法凿井工艺、技术及大型装备研究；减少井筒内作业人员的机械破岩钻井技术方面，研制成钻井直径13m的竖井钻机、钻井直径5m 的反井钻机，研究成功了钻井直径5.8m 的竖井掘进机。在凿井工艺方面，发展了以冻结、注浆和凿井平行作业技术，创新形成了表土层钻井与基岩段注浆的平行作业工艺。目前，我国煤矿井筒一次凿井深度达到1342m，最大井筒净直径10.5m，最大掘砌荒径14.6m，最大冻结深度950m，冻结表土层厚度754m，最大钻井深度660m，钻井成井直径8.3m，最大注浆深度为1078m，反井钻井直径5.5m，一批关键技术得到突破，建井技术总体达到国际领先和先进水平。

在普通凿井方面，突破了千米深井快速掘砌及装备技术关键，完善了短段掘砌综合凿井工艺，以深孔控制爆破技术为核心，整体金属模板砌壁为重点，以大型凿井装备为手段，以冲击曾冻结、地面预注浆，综合治理井下涌水为保障，实现了打干井，保证了正规循环掘砌作业，满足千米凿井需要。凿井装备实现了大型化，新型凿井井架、大直径提升绞车、大吨位稳车、大直径伞钻、大容量吊桶、重型吊盘、模板等装备获得广泛应用。为减少悬吊设施及悬吊重量，研制出迈步式整体模板和吊盘，利用井壁梁窝及液压油缸，实现井筒内凿井装备的无绳悬吊、迈步自调平及液压脱模。

建井研究分院，以后简称建井分院（包括原北京建井研究所），通过多年的努力及多方合作，将应用范围从矿山竖井工程，发展到斜井、隧道、盾构、顶管进盾构出洞、联络通道、隧道建设、建筑物基坑、地下穿越、地下对接、事故处理、地下管线、基础加固、边坡加固等工程。

在深厚地土层冻结方面，进一步推进了常压表土层下及超高围压下土层的常规和冻结物理力学特性；深厚表土层冻结壁设计理论；深厚表土层冻结工艺；冻结施工综合监控及信息化施工；深厚表土层井壁结构设计及高性能混凝土等相关研究深度，实现了深度700m 以上深厚冲积层冻结井筒的安全建设。西部矿井深度不断增加，在对白垩系及侏罗系岩层的物理、力学特性及水文地质条件研究的基础上，形成千米深井控制冻结技术，解决了西部建井遇到技术难题，其中建成的核桃峪煤矿副立井一次冻结深度达到950m，为冻结深度世界第一的立井井筒，采用控制冻结技术保证已建成的472m井壁安全稳定，实现了下部含水地层井筒的安全、快速掘砌。

提出了斜井沿轴线冻结工艺，研究倾斜冻结孔布置理论，斜井冻结壁发展规律，斜井冻结交圈判据；磁导向倾斜冻结孔定向钻进，倾斜冻结孔钻进、冻结管下放及安装工艺，斜井冻结施工过程中井帮变形的时空规律、井帮变形与冻结管受力状态之间的相关关系、冻结管断裂不同阶段的信号响应特征、在线监测与断裂预警；斜井冻结设备选型、交圈检测及开挖时间确定，井筒掘进技术及装备，井壁安装测试及优化，冻融沉降及井壁控制渗漏技术，为今后长斜井工业性应用打下基础。

在地面预注浆方面，通过研究形成适合不同地层条件的注浆材料、工艺及注浆装备， 包括千米深井注浆工艺及地层可注性评价体系、聚乙烯醇类“塑性早强”浆液与水玻璃水溶性化学浆液、高压大泵量注浆泵、深井耐压止浆机具、注浆参数自动监测及高效制浆系统，为含水基岩安全快速凿井施工提供了可靠的保障。注浆材料方面，研制出塑性早强注浆材料、低粘度水玻璃类化学注浆材料、钻井废弃泥浆作为注浆材料。在地面预注浆装备方面，研制出50MPa 变频调速高压注浆泵、35MPa 变频调速高压化学注浆泵、深井耐压止浆机具、注浆参数自动监测和高效制浆系统。地面预注浆不但为普通凿井提供技术保障，同时也为机械破岩凿井提供有利条件，注浆后的地层更适合反井钻井以及竖井掘进机等机械凿井方法。

在钻井法凿井方面，研究深厚表土层钻井法凿井关键技术，形成了深厚表土层钻井工艺，在巨野矿区龙固矿井钻成双主井和风井三个井筒，穿过了厚度为546.48m 的深厚表土层，钻井深度达到582.75m。在“十一五”期间创新形成了“一钻成井”和“一扩成井”快速钻井新工艺，研发与钻井工艺相应的新型超前和扩孔钻头、新型破岩滚刀，提高破岩能力和排渣效率；解决了钻井泥浆污染问题，研发泥浆无害化处理和泥浆复用为注浆材料等新技术，实现钻井泥浆零排放，大幅提高钻井法成井速度、有效减少环境污染，并在袁店二矿、朱集西矿、信湖煤矿等矿井井筒得到成功应用，标志着我国的钻井法施工技术达到了一个新的高度。

在反井钻井方面，以坚硬岩石、深井、大直径井筒为目标，建井研究分院研制出BMC系列反井钻机，钻孔直径达到5.3m，钻井深度达到600m，在煤矿、电站、铁路隧道等不同的地质条件中，钻成直径3.5m、5.0m、5.3m 数十条井筒，通过岩石钻井理论、全系列反井钻机、钻孔轨迹控制技术、高效破岩滚刀等研究，形成了反井钻井新工艺。南京研究所研制的ZFYD 系列低矮型反井钻机也得到广泛应用。

矿山竖井掘进机研制取得突破，研制成功以反井钻机钻孔作为导井、破岩机械化、控制自动化、掘进支护一体化、具有安全防护的矿山竖井掘进机装备，攻克大直径高效钻头破岩滚刀合理布置、滚刀与多种岩石的匹配适应、协调迈步式推进方式、掘进方向智能控制等技术难题，为我国矿山竖井非爆破凿井的机械化、自动化、智能化奠定基础，填补我国在矿山竖井掘进机的空白。

形成了冻注和钻注等新型凿井工艺，立井上部第四系松散层和风化带（包括部分软弱的第三系地层）的冻结或钻井，和立井掘进与下部基岩含水层地面预注浆施工平行进行，形成冻- 注- 凿平行作业和钻- 注平行作业凿井。以高精度定向孔钻进为基础，根据地面条件布置钻机，钻孔在岩体内形成空间结构形状，注浆段钻孔落点靶域在指定范围，满足注浆要求，达到冻结、钻井、注浆相互不干扰，时间、空间得到综合利用。

巷道和硐室作为为矿井建设的主要工程，特别是进入深部煤炭资源开发，井下工程施工遇到很多技术难题，在巷道施工工艺、巷道掘进机械化配套、巷道硐室的支护加固、受力变形监测、建井安全控制、避难系统建设、建井粉尘及防护、二氧化碳物理爆破技术与等方面取得进展，研制配套装备、测量仪器，为煤矿安全快速建设提供了保障。

本书共分六篇，包括冻结技术、注浆技术、钻井技术、立井掘进技术、巷道掘进与加固技术，共计17 章，其中第一篇为冻结技术，由3 章构成，王建平负责统稿；第二篇注浆技术，由4 章组成，高岗荣统稿；第三篇钻井技术，由3 章组成，谭杰统稿；第四篇，立井凿井技术由3 章组成，龙志阳统稿；第五篇岩石巷道掘进与加固技术，由4 章组成，由杨春满、范士平统稿。参与编写人员较多，在每一章的后面附有主要执笔人，如果有疏漏，希望得到各方的谅解。

感谢建井研究分院、南京研究所和淮北爆破所全体员工为建井技术发展及本讲座的撰写做出的努力，感谢中国煤炭科工集团的支持和帮助，感谢申宝宏总工程师给与的指导，感谢出版集团给予的大力协助，对在编写过程提供资料，给予各种指导帮助的同志，在此一并感谢。

由于编写时间仓促及编者的水平所限，本书难免存在错误及不足，恳请读者批评指正。

第1篇冻结技术

             第1章矿山冻结 04

1.1　立井冻结………………………………………………………004

1.2　斜井冻结…………………………………………………………016

1.3　其他冻结…………………………………………………………022

1.4　冻结井筒掘砌……………………………………………………035

              第2章市政工程冻结 46

2.1　水平冻结………………………………………………………046

2.2　穿越冻结…………………………………………………………053

2.3　浅覆土冻结………………………………………………………066

2.4　液氮快速冻结………………………………………………………073

2.5PVC免拔管冻结……………………………………………………081

             第3章地层冻结监测 90

3.1　冻结纵向测温……………………………………………………090

3.2　地层冻结一线总线监测……………………………………………097

3.3　地层冻结物联网…………………………………………………105

第2篇注浆技术

             第4章注浆材料 117

4.1　黏土水泥浆………………………………………………………117

4.2　水泥粉煤灰浆……………………………………………………128

4.3　水泥基改性浆液…………………………………………………134

4.4　化学注浆材料……………………………………………………144

            第5章注浆装备 152

5.1　钻进设备…………………………………………………………153

5.2　注浆泵……………………………………………………………161

5.3　止浆塞……………………………………………………………167

5.4　自动浆液配制监控系统…………………………………………173

             第6章矿山注浆工艺 178

6.1　黏土水泥浆注浆工艺……………………………………………178

6.2　冻-注-凿平行作业预注浆工艺…………………………………184

6.3　钻-注平行作业预注浆工艺……………………………………190

6.4　穿采空区井筒预注浆工艺………………………………………200

6.5　地面L形钻孔预注浆工艺………………………………………208

             第7章市政注浆工艺 216

7.1　高压喷射注浆工艺………………………………………………216

7.2　振冲分层注浆加固工艺…………………………………………222

第3篇钻井技术

            第8章竖井钻机钻井 233

8.1　深厚冲积层钻井…………………………………………………234

8.2　钻井－扩（钻）成井……………………………………………264

            第9章反井钻机钻井 297

9.1　反井钻机………………………………………………………298

9.2　反井钻井工艺……………………………………………………317

            第10章竖井掘进机 337

10.1　竖井掘进机掘进施工工艺……………………………………337

10.2　竖井掘进机钻进装备…………………………………………339

第4篇立井凿井技术

            第11章立井凿井工艺 349

11.1　掘砌混合作业…………………………………………………349

11.2　掘砌参数选择…………………………………………………350

11.3　深孔爆破………………………………………………………354

11.4　设备井壁吊挂…………………………………………………358

11.5　井筒淋水治理…………………………………………………364

            第12章凿井装备 366

12.1　提绞和悬吊装备及设施………………………………………366

12.2　掘进和支护装备……………………………………………370

12.3　凿井设备运行监测系统………………………………………389

            第13章凿井技术应用实例 396

13.1　掘砌混合作业凿井……………………………………………396

13.2　冻注掘平行作业………………………………………………398

13.3　千米深井“三液联动”凿井………………………………… 403

第5篇岩石巷道掘进与加固技术

            第14章岩巷掘进 413

14.1　岩巷掘进作业线………………………………………………413

14.2　岩巷机械化装备………………………………………………417

14.3　岩巷凿岩爆破…………………………………………………419

14.4　岩巷锚喷支护…………………………………………………439

            第15章岩巷和硐室支护 441

15.1　巷道顶板动态监测……………………………………………441

15.2　岩巷联合支护及材料…………………………………………447

15.3　锚喷支护机具…………………………………………………455

15.4　锚喷支护检测机具……………………………………………463

15.5　岩巷和硐室支护………………………………………………470

            第16章岩巷和硐室加固 480

16.1　加固材料………………………………………………………480

16.2　岩巷加固………………………………………………………487

16.3　硐室加固………………………………………………………499

16.4　煤矿构筑物结构加固…………………………………………508 

    本书由科学出版社2018年三季度印刷出版，有矿山科研、大专院校、设计和施工企业技术人员有需要可以联系龙志阳  13701167059  804194589@qq.com  可以预定买此论书，（预计300元/本）。